第5章-多级放大电路和集成运算放大器.ppt

第5章多级放大电路和集成运算放大电路,5.多级放大电路和集成运算放大器,5.1多级放大电路的分析,5.2差分放大电路,5.3集成运算放大器,1、多级放大电路的基本概念以及多级放大电路的耦合方式；2、熟练掌握多级放大电路的动态分析；3、直接耦合放大电路的零点漂移现象；4、掌握差分放大电路的共模信号、差模信号、共模放大倍数、差模放大倍数、共模抑制比的概念。5、差分放大电路的组成、抑制零点漂移的原理以及四种接线方式的分析计算。6、了解集成运算放大器的原理。,要求,5.1多级放大电路的分析,5.1.1多级放大电路的耦合方式,5.1.2多级放大电路的分析方法,5.1.3多级放大电路的频率特性,5.1.4多级直接耦合放大电路的零点漂移现象,5.1.1多级放大电路的耦合方式,四种常见的耦合方式：直接耦合阻容耦合变压器耦合光电耦合,当单级放大电路不能满足多方面的性能要求（如Au104、Ri=2M、Ro=100）时，应考虑采用多级放大电路。组成多级放大电路时首先应考虑如何“连接”几个单级放大电路，耦合方式即连接方式。,既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻,第二级,第一级,(1)可以放大交流和缓慢变化及直流信号；(2)便于集成化。,(3)各级静态工作点互相影响；基极和集电极电位会随着级数增加而上升；(4)零点漂移（如何克服）。,特点：,5.1.1多级放大电路的耦合方式,一、直接耦合,Q1合适吗？,对哪些动态参数产生影响？,用什么元件取代Re既可设置合适的Q点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？,二极管导通电压UD？动态电阻rd？,Re,5.1.1多级放大电路的耦合方式,一、直接耦合,UCEQ1太小加Re（Au2数值）改用D若要UCEQ1大，则改用DZ。,稳压管伏安特性,小功率管多为5mA,由最大功耗得出,必要性？,rzu/i，小功率管多为几欧至二十几欧。,5.1.1多级放大电路的耦合方式,一、直接耦合,NPN型管和PNP型管混合使用,问题的提出：在用NPN型管组成N级共射放大电路，由于UCQiUBQi，所以UCQiUCQ(i-1）（i=1N），以致于后级集电极电位接近电源电压，Q点不合适。,UCQ1（UBQ2）UBQ1UCQ2UCQ1,5.1.1多级放大电路的耦合方式,一、直接耦合,共射电路,共集电路,利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容耦合。,特点：(1)静态工作点相互独立，在分立元件电路中广泛使用。(2)不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。(3)在集成电路中无法制造大容量电容，不便于集成化，尽量不用。,5.1.1多级放大电路的耦合方式,二、阻容耦合,从变压器原边看到的负载等效电阻。,可能是实际的负载，也可能是下级放大电路,理想变压器情况下，负载上获得的功率等于原边消耗的功率。,以前功率放大电路广泛采用此耦合方式。目前基本不用。,5.1.1多级放大电路的耦合方式,三、变压器耦合,5.1.2多级放大电路的动态分析,1.电压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,对电压放大电路的要求：Ri大，Ro小，Au的数值大，最大不失真输出电压大。,1.由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。2.前一级的输出电压是后一级的输入电压。3.后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。4.总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积5.总输入电阻为第一级的输入电阻6.总输出电阻为最后一级的输出电阻,由此可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。,分析举例,例题,1.已知=50，求下图所示放大电路的,解：,RS,例题,电路如图，1）说明T1、T2管的组态及其具有的特点；2）写出电路的电压放大倍数表达式。,5.1.3多级放大电路的频率响应,一个两级放大电路每一级（已考虑了它们的相互影响）的幅频特性均如图所示。,6dB,3dB,fL,fH,0.643fH1,fLfL1，fHfH1，频带变窄！,直接耦合放大电路可以放大直流信号或者变化比较缓慢的信号。,主要原因：,温漂指标：,温度变化引起，也称温漂。,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,电源电压波动也是原因之一,5.1.4直接耦合放大电路的零点漂移现象,一、零点漂移,零漂：,uI0，uO0的现象。,二、零点漂移的原因,例如,若第一级漂了100uV，,则输出漂移1V。,若第二级也漂了100uV，,则输出漂移10mV。,假设,第一级是关键,三、减小零漂的措施,漂了100uV,漂移10mV+100uV,漂移1V+10mV,漂移1V+10mV,克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路,5.2差分放大电路,5.2.1典型长尾式差分放大电路,5.2.2具有电流源的差分放大电路,一、电路,二、工作原理,三、指标计算,零输入零输出,若V与UC的变化一样，则输出电压就没有漂移,零点漂移,参数理想对称：Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，Re1=Re2;T1、T2在任何温度下特性均相同。,5.2.1典型长尾式差分放大电路,5.2.1典型长尾式差分放大电路,在理想对称的情况下：1.克服零点漂移；2.零输入零输出。,差模信号,一对大小相等，极性相反的信号，用uid1、uid2表示，uid1=-uid2,共模信号,一对大小相等，极性相同的信号，用uic1、uic2表示，uic1=uic2,一、电路的组成,二、工作原理1.静态工作情况：令uI1=uI2=0,Rb是必要的吗？,2.放大差模信号,iE1=iE2，Re中电流不变，即Re对差模信号。,差模信号：数值相等，极性相反的输入信号，即,差模信号作用下的交流通路，射极电阻应对地短接。,二、工作原理,3.抑制共模信号,共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即,共模信号作用下画交流通路，单管射极电阻应为2Ree。,二、工作原理,3.抑制共模信号：Re的共模负反馈作用,Re的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号,对于每一边电路，Re=?,如T()IC1IC2UEIB1IB2IC1IC2,抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。,当温度变化或电源电压波动时，都将使集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用，这就意味着差放对由温度变化或电源电压波动所引起的输出漂移有很强的抑制作用。这就是研究共模输入信号的意义。,3.抑制共模信号,1.静态计算,晶体管输入回路方程：,通常，Rb较小，且IBQ很小，故,三、指标计算,为什么？,2.差模信号作用时的动态指标,三、指标计算,差模放大倍数,差放的特点：输入无差别，输出就不动；输入有差别，输出就变动。,2.差模信号作用时的动态指标,三、指标计算,在实际应用时，信号源需要有“接地”点，以避免干扰；或负载需要有“接地”点，以安全工作。,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出,2.差模信号作用时的动态指标,三、指标计算,双端输入单端输出时：,2.差模信号作用时的动态指标,三、指标计算,由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但是UCEQ1UCEQ2。,双端输入单端输出时静态计算：,3.共模信号作用时的动态指标,三、指标计算,（1）双端输出共模动态指标,3.共模信号作用时的动态指标,三、指标计算,（1）单端输出共模动态指标,共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。,4.共模抑制比,三、指标计算,（1）双端输入双端输出共模抑制比,（2）双端输入单端输出共模抑制比,（1）T2的Rc可以短路吗？（2）什么情况下Ad为“”？（3）双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗？,讨论,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,在输入信号作用下发射极的电位变化吗？说明什么？,5.单端输入的指标计算,三、指标计算,其中的差模指标和共模指标的计算与双端输入相同。,ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2,uic=uic1=uic2=(ui1+ui2)/2uid=(ui1-ui2)uid1=-uid2=uid/2,例：ui1=10mVui2=8mV,uic=(ui1+ui2)/2=9mVuid=(ui1-ui2)=2mV,ui1=uic1+uid1=9+1（mV）ui2=uic2+uid2=9-1（mV）,对任意信号的分析方法,讨论,静态时的值,问题讨论：（1）UOQ产生的原因？（2）如何减小共模输出电压？,6.电压传输特性,三、指标计算,差分放大电路的电压传输特性是指放大电路输出差模信号与输入差模信号之间的关系曲线.,输入方式：Rid均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。,输出方式：Q点、Aud、Auc、KCMR、Rod均与之有关。,总结,四、具有恒流源的差分放大电路为什么要采用电流源？,Re越大，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。但为使静态电流不变，Re越大，VEE越大，以至于Re太大就不合理了。需在低电源条件下，得到趋于无穷大的Re。,解决方法：采用电流源！,等效电阻为无穷大,近似为恒流,5.2.2具有电流源的差分放大电路,1)RW取值应大些？还是小些？2)RW对动态参数的影响？3)若RW滑动端在中点，写出Ad、Ri的表达式。,加调零电位器RW,5.2.2具有电流源的差分放大电路,场效晶体管差分放大电路,5.2.2具有电流源的差分放大电路,几种方式指标比较,讨论一,若uI1=10mV，uI2=5mV，则uId=？uIc=？,uId=5mV，uIc=7.5mV,讨论二,1、uI=10mV，则uId=?uIc=?2、若Ad=102、KCMR103用直流表测uO，uO=?,uId=10mV，uIc=5mV,uO=AduId+AcuIc+UCQ1,5.3集成运算放大电路,5.3.1集成运算放大电路概述,5.3.2集成运放中的电流源电路,5.3.3以电流源为有源负载的放大电路,5.3.5集成运放的主要参数,5.3.4集成运放电路简介,集成电路简称IC(IntegratedCircuit),集成电路按其功能分,数字集成电路,模拟集成电路,模拟集成电路类型,集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模或模/数转换器等。,5.3.1集成运算放大电路概述,集成电路的外形,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,一、集成运放的电路结构特点,1.对称性好，适用于构成差分放大电路。,2.在芯片上常常用三极管代替大电阻和二极管。,3.通常采用直接耦合电路方式。,4.集成电路中的NPN、PNP管的值差别较大，通常PNP的10。常采用复合管的形式。,5.3.1集成运算放大电路概述,一个输出端,若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。,二、集成运放的组成,实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。,5.3.1集成运算放大电路概述,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,5.3.1集成运算放大电路概述,二、集成运放的组成,由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。,在线性区：uOAod(uPuN)Aod是开环差模放大倍数。,(uPuN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是UOM,就是UOM，即集成运放工作在非线性区。,三、集成运放的电压传输特性,5.3.1集成运算放大电路概述,5.3.2集成运放中的电流源电路,集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流;或作为有源负载取代高阻值电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。,一、镜像电流源,T0和T1特性完全相同。,在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。,电路中有负反馈吗？,基准电流,5.3.2集成运放中的电流源电路,5.3.2集成运放中的电流源电路,IC1=IR-4IB1/(1+0),一、镜像电流源,5.3.2集成运放中的电流源电路,三、比例电流源,由图可得,UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2,由于UBE1UBE2，则,忽略基极电流，可得,两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。,设计过程很简单，首先确定IE0和IE1，然后选定R和Re。,超越方程,要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。,5.3.2集成运放中的电流源电路,四、微电流源,在集成运放中，常用电流源电路取代RC或Rd，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可获得很大的等效RC或Rd的。,晶体管和场效晶体管是有源元件，又可作为负载，故称为有源负载。,5.3.3以电流源为有源负载的放大电路,一、有源负载共射放大电路,哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？静态时UIQ为多少？,为什么要考虑rce2?,5.3.3以电流源为有源负载的放大电路,二、有源负载差分放大电路,电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？静态时iO约为多少？动态时iO约为多少？,使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。,静态：,动态：,5.3.3以电流源为有源负载的放大电路,读图方法,（1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。,已知电路图，分析其原理和功能、性能。,5.3.4集成运放举例,型号为F007的通用型集成运放,对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。,若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。,找出偏置电路,1.偏置电路的分析,至输入级,至中间级,基准电流：,基准电流产生各放大级所需的偏置电流。,各路偏置电流的关系：,IREF,I11,IC10,I3,4,IC9,IC8,IC12,IC13,微电流源,镜像电流源,输入级,镜像电流源,中间级,输出级,双端输入、单端输出差分放大电路,以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路,用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级,三级放大电路,简化电路分解电路,2.输入级的分析,T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。,共集-共基形式,Q点的稳定：T（）IC1IC2IC8,IC9与IC8为镜像关系IC9,因为IC10不变IB3IB4IC3IC4IC1IC2,T1和T2从基极输入、射极输出,T3和T4从射极输入、集电极输出,输入级的分析,T7的作用：抑制共模信号,T5、T6分别是T3、T4的有源负载。,作用？,+,_,放大差模信号,特点：输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高.,3.中间级的分析,中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。,F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。,中间级,输出级,4.输出级的分析,D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。,iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护了T14。,准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。,中间级,输出级,特点：输出电阻小最大不失真输出电压高,判断同相输入端和反相输入端,5.3.5集成运放的主要性能指标,指标参数F007典型值理想值开环差模增益Aod106dB,差模输入电阻rid2M,共模抑制比KCMR90dB,指标参数F007典型值理想值UIO几V/0,UIO的温漂dUIO/dT()几V/0,输入失调电流IIO20nA0,IIO的温漂dIIO/dT()几nA/0,使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。,5.3.5集成运放的主要性能指标,指标参数F007典型值理想值最大共模输入电压UIcmax13V,-3dB带宽fH10Hz,转换速率SR0.5V/S,能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。,最大差模输入电压UIdmax30V,超过此值输入级差分管将损坏。,上限截止频率。,对大信号的反应速度,为什么这么低？,5.3.5集成运放的主要性能指标,指标参数F007典型值理想值开环差模增益Aod106dB差模输入电阻rid2M共模抑制比KCMR90dB输入失调电压UIO1mV0UIO的温漂dUIO/dT()几V/0输入失